金屬材料焊接接頭的組織與性能對比

齊羿　楊建全

摘 要：隨著工業和科學技術的不斷發展，對金屬材料焊接技術的要求也越來越高。金屬材料的焊接性能一般包括接合性能與使用性能，金屬材料的焊接性與焊接時焊接接頭的組織和性能有關，為此，一定要尋找出合適的焊接方法，確保好焊接接頭的組織和性能，控制焊接能力參數，學會從組織的變化去研究和分析焊接性能的變化。

關鍵詞：金屬材料；焊接接頭的組織與性能；對比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.010

1 實驗材料、工藝及設備

1.1 實驗材料

（1）實驗選用的是長、寬、高分別為150mm、50mm、5mm的16Mn薄板；（2）直徑為3.2mm 的J507型焊條。

1.2 加工工藝及實驗設備

（1）焊接方法。本實驗要測定不同焊接參數下焊縫金相組織的變化，所以選擇焊條電弧焊進行焊接較為適合。

（2）實驗設備。1）焊接設備：帶數顯的逆變式直流電弧焊機；2）切割設備：DK7740型數控電火花線切割機床；3）試樣制備設備：MP-2型預磨機、MP-2型磨拋機；4）檢測設備CMM-55Z型金相顯微鏡。

1.3 焊接參數

（1）焊縫空間位置采用平對接焊縫；（2）坡口形式：I形；（3）焊件序號：1.2.3.4；（4）焊件厚度：1-5mm；（5）焊接電壓：22-28V

1.4 坡口加工、裝備及焊接

材料較薄，無需開坡口。預留裝配間隙1～2mm。母材較短，點固時在板材兩端各留30mm，然后再點固，定位焊長度為10～15mm

焊前點固。試板較短，選用中間接頭法。焊條與工件保持80°～90°夾角。板厚較薄，采用單面焊雙面成型，一般只焊一層。

2 實驗方案及檢測分析方法

2.1 實驗方案

（1）16Mn不同焊接參數下組織研究；（2）16Mn鋼的物理特性；（3）16Mn鋼的焊接性分析；（4）16Mn鋼的焊接工藝設計；（5）16Mn鋼的焊接；（6）金相組織分析；（7）結論。

2.2 實驗檢測分析方法

進行顯微組織觀察，具體是在焊接后試件上取樣，拋光、腐蝕，然后再觀察與分析焊接區的顯微組織，最后使用CMM-55Z型顯微鏡進行拍照。

3 金相檢驗

（1）試樣切取基本要求。1）不得加熱；2）焊接接頭試樣完整，試樣上、下表面平行，視場內凸凹度不超過光學顯微鏡的景深；3）試樣表層不能有明顯磨痕、加工硬化、非金屬夾雜物剝落或其它使組織模糊的表面層；4）顯蝕方法得當、深淺適中、組織清晰。

（2）試樣切取。沿焊縫縱向將試樣兩端各截取一段，中間截取一段。

（3）試樣磨制。機械磨制，采用水砂紙。換砂紙須消除前道砂紙的痕跡，試樣垂直轉換90°。保證試樣磨面平整，以免影響金相觀察。

（4）試樣拋光。時間在3～5min之間較好。

（5）浸蝕。選用4%硝酸酒精溶液作為浸蝕液，浸蝕時間控制在8s左右。

（6）金相照片的拍制。將試樣輕放在顯微鏡物鏡上，調整顯微鏡，使可以清晰觀察到試樣顯微組織，然后拍照。

4 實驗結果分析

4.1 金相組織分析

（1）焊縫區。1）鐵素體轉變。低合金鋼焊縫中的鐵素體轉變隨溫度不同而具有不同形態，大體有以下四種類型：先共析鐵素體、側板條鐵素體、針狀鐵素體、細晶鐵素體；2）珠光體轉變。只有在冷卻速度很低的情況下，才能生成少量珠光體；3）貝氏體轉變。貝氏體轉變屬于中溫轉變，發生在550℃～Ms之間；4）馬氏體轉變。過冷奧氏體保持在Ms點以下，就會發生擴散型的馬氏體轉變。

（2）熔合區。熔合區是過渡區，相當狹窄，因此其對焊接接頭的質量影響不大。

（3）熱影響區。1）過熱區。在過熱區中粗大的奧氏體晶界上分布著魏氏組織鐵素體，并由晶界向晶內生長，故而其性能尤其是韌性很差，是焊接接頭的最薄弱地區；2）正火區。在正火區的晶粒明顯小于過熱區，而且鐵素體與珠光體均勻混合分布，所以這個區域性能很好；3）不完全正火區。不完全正火區的焊后金相組織周圍聚集著經過重結晶分解的細密鐵素體和珠光體，金屬組織不均勻，晶粒大小不一，力學性能很差；4）再結晶區。如果母材焊前未遭受冷加工變形，或雖遭受冷加工變形但已經再結晶，組織性能自然恢復；5）藍脆區。藍脆的機理尚不十分清楚。

4.2 顯微組織對比分析

對比發現：焊接電流相同，焊接速度增大，熔池中心溫度梯度下降，熔池中心成分過冷加大，焊縫中心晶粒度增大，晶粒得到細化，有效增加焊縫強度；同時，焊接速度增加，縮短焊接過程中高溫停留時間，過熱區晶粒來不及長大，過熱區范圍減少，減少產生焊接缺陷的來源；正火區范圍增大，提高了焊接接頭的力學性能。

對比發現：焊接速度相同，焊接電流減小，焊縫區晶粒度增大，晶粒得到細化，有效改善焊接接頭的力學性能。

4.3 16Mn的焊接性分析

16Mn的焊接性是指鋼材對于焊接加工的適應性，即獲得優質焊接接頭的難易程度。由于鋼的焊接性主要取決于鋼的化學成分，而16Mn的碳及合金元素的含量都比較低，總體來說焊接性比較好，所以在焊接過程中一般不會產生缺陷。

（1）熱裂紋。熱裂紋一般是在焊接高溫下產生的，最嚴重的是結晶裂紋，結晶裂紋主要是在結晶后期，由低熔點物質所形成的液態薄膜而引發的，在正常情況下，16 Mn鋼是不會出現結晶裂紋的。

（2）冷裂紋。大量的生產實踐和理論研究表明，鋼種的淬硬傾向、一定的含氫量和足夠的拘束應力是焊接時產生冷裂紋的三大主要因素。

5 結論

實驗表明，厚度為5mm的16Mn薄板焊條電弧焊時的焊接工藝規范：焊條直徑：3.2mm，焊接電流112A，焊接電壓：22-28V，焊接速度：40cm/min。

參考文獻：

[1]李洋，黃暉，楊東霞，蘇學寬.含鉺鋁合金TIG焊與激光焊接頭組織與性能對比[J].有色金屬工程，2012（06）：33-36.

[2]劉瑞琦.研究焊接材料及焊接接頭的組織與性能在《電廠金屬材料》課程中有重要意義[J].江西電力職工大學學報，1994（02）：57-60.

[3]王敏，楊磊，于瑛，吳林.鈦合金T—型結構單面焊背面雙側成形焊接接頭組織與性能[J].航空材料學報，2012（01）：45-50.